치아 및 골 재생을 유도하는 새로운 약물 개발

- G단백질수용체를 표적으로하는 새로운 재생 치료전략 확립 -

[연구필요성]

G protein-coupled receptor(GPCR, G단백질 연결 수용체)는 인체 대부분의 조직 세포에 존재하는 세포막 단백질로 외부 신호물질을 인식하여 인체의 다양한 생리학적 반응 및 활성 조절에 관여한다. GPCR은 신약 개발에서 가장 많이 연구되는 표적 단백질이며 실제 미 FDA 승인 약물 중 약 1/3이 GPCR을 표적으로 하고 있지만, 현재까지 뼈나 치아 같은 경조직 재생 분야에서 GPCR을 표적으로 하는 치료 전략은 확립된 바 없다.

[연구성과/기대효과]

연구팀은 스크리닝 과정을 통해 발굴한 GPCR 표적 약물 처리를 통해 내재성 중간엽줄기세포 (mesenchymal stromal cell, MSC)의 분화 유도를 통한 경조직 생성을 촉진시하는데 성공하였다. 전임상 연구를 통해 동물 모델에서 GPCR 표적약물 처리 시 뼈와 치아 상아질에서 경조직 재생을 촉진함을 확인하였다. 또한 차세대염기서열분석기법을 활용하여 골 및 치아 경조직 재생과 연관된 GPCR의 핵심적인 기전을 규명하였다. 이상의 연구 성과를 통해 경조직 재생 치료에서 기존에 다루지 않았던 새로운 접근 방식을 제시하였다.

[본문]

G protein-coupled receptor(GPCR, G단백질 연결 수용체)는 대부분의 조직 세포에 존재하는 세포막 단백질로 외부 신호물질을 인식하여 세포 내로 신호를 전달하는 역할을 하며 인체의 다양한 생리학적 반응 및 활성 조절에 관여한다. GPCR은 신약 개발에서 가장 많이 연구되는 단백질 그룹 중 하나로 실제 미 FDA 승인 약물 중 약 1/3이 GPCR을 표적으로 하고 있지만, 현재까지 뼈나 치아 같은 경조직 재생 분야에서 GPCR을 표적으로 하는 치료 전략은 확립된 바 없다.

연구팀은 이번 연구를 통해 특정 GPCR의 활성을 억제함으로써 내재성 mesenchymal stromal cell(MSC, 중간엽줄기세포)의 경조직 생성 세포로의 분화를 통한 경조직 생성을 촉진시킬 수 있으며, 실제 동물 모델에 GPCR 억제제를 사용하여 뼈와 치아에서 경조직 재생이 증가함을 확인하였다. Microarray를 통해 치수줄기세포(hDPSC)에서 발현되는 484종의 GPCR을 확인하였으며, 이 중 발현량이 높은 class A GPCR을 대상으로 약물 재창출(drug repositioning)을 통해 확인된 GPCR 억제제를 처리한 후 다양한 기법을 활용한 경조직 재생 평가 스크리닝을 시행하였다. 이를 통해 경조직 생성과 관련 가능성이 높은 6종의 class A GPCR 및 각각의 수용체를 표적으로 하는 GPCR 억제제를 특정하였으며, 해당 GPCR의 활성조절을 통해 BMP-2, OCN, OPN, DMP1, DSPP 등 골 및 치아 경조직 재생과 연관된 유전자들의 발현이 증가함을 확인하였다. 이후 차세대 염기서열분석(NGS)기법을 활용하여 class A GPCR 억제제가 PI3K-AKT-MDM2 로 이어지는 신호전달체계를 억제하고 이로 인해 p53의 전사 활성을 증가시킴을 확인하였으며, p53의 증가가 경조직 생성 유전자의 발현과 관련 있음을 확인하였다. 최종적으로 쥐 두개골 결손부 및 성견 치아 내부에 class A GPCR 억제제를 국소 적용한 경우 대조군과 비교하여 신생 경조직 양이 현저하게 증가함을 확인하였다.

본 연구는 치수줄기세포의 옥시토신 수용체의 활성 조절에 의한 치아 경조직 재생 효과 및 그 기전을 밝힌 연구팀의 선행 연구 (“Functional expression of oxytocin receptors in pulp-dentin complex”, Biomaterials 2023, 293:121977) 에 이어진 후속 연구로써, 골 및 치아 경조직 재생과 연관된 GPCR 및 작용 약물을 특정하고 핵심적인 기전을 규명하였으며, 실제 동물 모델에서 향상된 경조직 재생능을 확인하였다. 이는 경조직 재생 치료에서 기존에 다루지 않았던 새로운 접근 방식을 제시하고 있다.

본 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 기초연구실지원사업 “Class A GPCR 표적 경조직 재생 유도 연구실” 및 보건복지부 보건산업진흥원 치의학 의료기술 연구개발사업 “치아 및 치조골 재생을 유도하는 PROTAC 기술의 개발” 의 지원을 받아 수행되었으며, “Targeting class A GPCRs for hard tissue regeneration” 이라는 제목의 논문으로 생체 재료 분야의 최상위 국제 학술지인 “Biomaterials” (IF=14.0) 에 게재되었다.

[연구결과]

Targeting class A GPCRs for hard tissue regeneration


So Young Park, Dohyun Kim, Ju Won Jung, Hyun-Ju An, Jaemin Lee, Yeji Park, Dasun Lee, Soonchul Lee, Jin Man Kim

(Biomaterials, January 2024, DOI: https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2023.122425)

연구진은 치수줄기세포(hDPSC)에서 발현되는 484종의 GPCR을 확인하였으며, 이 중 발현량이 높은 class A GPCR을 대상으로 약물 재창출(drug repositioning)을 통해 확인된 GPCR 억제제를 처리한 후 다양한 기법을 활용한 경조직 재생 평가 스크리닝을 시행하였다. 이를 통해 경조직 생성과 관련 가능성이 높은 6종의 class A GPCR 및 각각의 수용체를 표적으로 하는 GPCR 억제제를 특정하였으며, 해당 GPCR의 활성조절을 통해 BMP-2, OCN, OPN, DMP1, DSPP 등 골 및 치아 경조직 재생과 연관된 유전자들의 발현이 증가함을 확인하였다. 이후 차세대 염기서열분석(NGS)기법을 활용하여 class A GPCR 억제제가 PI3K-AKT-MDM2 로 이어지는 신호전달체계를 억제하고 이로 인해 p53의 전사 활성을 증가시킴을 확인하였으며, p53의 증가가 경조직 생성 유전자의 발현과 관련 있음을 확인하였다. 최종적으로 쥐 두개골 결손부 및 성견 치아 내부에 class A GPCR 억제제를 국소 적용한 경우 대조군과 비교하여 신생 경조직 양이 현저하게 증가함을 확인하였다.

[그림설명]

[그림 1: 경조직 재생 맞춤형 GPCR 스크리닝 과정 (위) 및 결과 (아래)]

[그림 2: GPCR 활성조절과 관련된 기전 규명 (PI3K-AKT-MDM2 pathway)]

[그림 3: 발굴된 약물 처리에 따른 골(위) 및 치아(아래) 경조직 재생 확인]